Summary
Здесь мы представляем протокол для генерации кристаллов солитона в микрокольцевом резонаторе с бабочкой с использованием метода термической настройки. Далее флуктуации частоты повторения кристалла солитона с одной вакансией измеряют с помощью отсроченного самогетеродинного метода.
Abstract
Временные солитоны привлекли большой интерес в последние десятилетия своим поведением в устойчивом состоянии, где дисперсия уравновешивается нелинейностью в среде распространения Керра. Разработка диссипативных солитонов Керра (ДКС) в микрополощах с высоким Q приводит к созданию нового, компактного источника солитона в масштабе чипа. Когда ДКС служат фемтосекундными импульсами, флуктуации частоты повторения могут быть применены к метрологии сверхвысокой точности, высокоскоростному оптическому отбору проб, оптическим часам и т. Д. В данной работе быстрая флуктуация частоты повторения кристаллов солитона (СК), особое состояние ДКС, при котором частицеподобные солитоны плотно упакованы и полностью занимают резонатор, измеряется на основе известного метода замедленного самогетеродина. СК генерируются с использованием термоуправляемого метода. Насос представляет собой частотно-фиксированный лазер с шириной линии 100 Гц. Интегральное время в измерениях колебаний частоты контролируется длиной волокна задержки. Для СК с одной вакансией колебания частоты повторения составляют ~53,24 Гц в пределах 10 мкс и ~509,32 Гц в пределах 125 мкс соответственно.
Introduction
Устойчивые ДКС в микрорезонаторах, где дисперсия полости уравновешивается нелинейностью Керра, а также усиление Керра и рассеивание полости1,вызвали большой интерес в научно-исследовательском сообществе за их сверхвысокую частоту повторения, компактный размер и низкую стоимость2. Во временной области ДКШ представляют собой стабильные импульсные поезда, которые использовались для высокоскоростного измерения диапазона3 и молекулярной спектроскопии4. В частотной области ДКС имеют ряд частотных линий с равным частотным интервалом, которые подходятдля систем связи5,6, синтезаоптических частот7,8и сверхнизкошумой микроволновой генерации9,10и т. Д. Фазовый шум или ширина линии гребенчатых линий напрямую влияет на производительность этих прикладных систем. Доказано, что все гребенчатые линии имеют одинаковую ширину линии с насосом11. Поэтому использование ультраузкого лазера шириной линии в качестве накачки является эффективным подходом к улучшению производительности ДКС. Тем не менее, насосы большинства зарегистрированных ДКС представляют собой частотно-уборочные наружные резонаторные диодные лазеры (ECDL), которые страдают от относительно высокого шума и имеют широкую ширину линии порядка десятков-сотен кГц. По сравнению с перестраиваемыми лазерами, лазеры с фиксированной частотой имеют меньший шум, более узкие ширины линий и меньшую громкость. Например, системы Menlo могут поставлять сверхстабильные лазерные изделия с шириной линии менее 1 Гц. Использование такого частотно-фиксированного лазера, как накачка, может значительно снизить шум генерируемых ДКС. В последнее время для ДКС поколения12,13,14 используются методы термонастройки на основе микронагревателя или термоэлектрического охладителя(TEC).
Стабильность частоты повторения является еще одним важным параметром РСД. Как правило, частотомеры используются для характеристики частотной стабильности ДКШ в пределах времени затвора, которое обычно составляет порядка микросекунды до тысячи секунд15,16. Ограниченные полосой пропускания фотоприемника и частотомера, электрооптические модуляторы или опорные лазеры обычно используются для снижения обнаруженной частоты, когда свободный спектральный диапазон (FSR) ДКС составляет более 100 ГГц. Это не только увеличивает сложность тест-систем, но и приводит к дополнительным погрешностям измерений, вызванным стабильностью радиочастотных источников или эталонных лазеров.
В этой статье микрокольцевой резонатор (MRR) представляет собой бабочку, упакованную с коммерческим чипом TEC, который используется для контроля рабочей температуры. Используя частотно-фиксированный лазер с шириной линии 100 Гц в качестве накачки, кристаллы солитона (СК) стабильно генерируются путем ручного снижения рабочей температуры; это специальные ДКС, которые могут полностью заполнять резонатор коллективно упорядоченными ансамблями сопропагатирующих солитонов17. Насколько нам известно, это самый узкий насос ширины линии в экспериментах по генерации ДКС. Спектр спектральной плотности мощности (PSD) каждой гребенчатой линии измеряется на основе метода замедленного самогетеродинного интерферометра (DSHI). Используя ультраузкую ширину линий гребенчатых линий, нестабильность частоты повторения кристаллов солитона (SCs) выводится из центрального частотного дрейфа кривых PSD. Для СК с одной вакансией мы получили нестабильность частоты повторения ~53,24 Гц в пределах 10 мкс и ~509,32 Гц в пределах 125 мкс.
Протокол состоит из нескольких основных этапов: во-первых, MRR соединен с волоконно-оптическим массивом (FA) с использованием шестиосевой соединительной ступени. MRR изготовлен из высокоиндексной легированной кремнеземной стеклянной платформы18,19. Затем MRR упаковывается в 14-контактный пакет бабочки, что повышает стабильность экспериментов. СК генерируются с использованием термоуправляемого метода. Наконец, колебания частоты повторения СК измеряются методом DSHI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Оптическая муфта
- Отполируйте торцевую поверхность MRR на шлифовальной пластине с использованием абразивных порошков (оксид алюминия) 1,5 мкм, смешанных с водой в течение 5 минут.
- Закрепите MRR с помощью чипового крепления и поместите восьмиканальный FA на шестиосевой соединительный каскад, который включает в себя три линейные ступени с разрешением 50 нм и три угловые ступени с разрешением 0,003°. Пятна MRR и FA составляют 250 мкм.
- Используйте лазер 1 550 нм в качестве оптического источника для мониторинга эффективности связи в режиме реального времени. Тщательно регулируйте положение ФА до тех пор, пока потери вставки не достигнут минимального значения, обычно менее 6 дБ, что соответствует потерям связи менее 3 дБ на фасетку.
- Используйте ультрафиолетовый (УФ)изогнутый клей (Таблица материалов)для склеивания MRR и FA. Поместите клей на боковой край контактной поверхности, что гарантирует, что на оптическом пути нет клея.
- Подвергайте УФ-изогнутый клей воздействию УФ-лампы в течение 150 с и выпекайте в камере при 120 °C более 1 ч.
2. Упаковка устройства
- Подключите чип TEC размером 10,2 мм x 6,05 мм с максимальной мощностью 3,9 Вт к опорной плите стандартной 14-контактной упаковки бабочки с использованием серебряного клея. Припаяйте два электрода чипа TEC к двум контактам корпуса бабочки.
- Вставьте вольфрамовую пластину × 5 мм × 1 мм на поверхность чипа TEC с помощью серебряного клея. Используйте вольфрамовую пластину в качестве теплоотвода, чтобы заполнить зазор между TEC и MRR.
- Вставьте устройство MRR в верхнюю часть вольфрамовой пластины с помощью серебряного клея и закрепите косичку FA к выходному порту пакета бабочки.
- Вставьте чип термистора на поверхность чипа TEC с помощью серебряного клея. Подключите один электрод термистора к верхней поверхности микросхемы TEC. Проволока связывает другой электрод термистора и верхнюю поверхность чипа TEC с двумя штифтами пакета бабочки с помощью золотой резьбы.
- Выпекайте упакованное устройство при 100 °C в течение 1 ч, чтобы затвердеть серебряный клей.
- Запечатайте пакет бабочки. На рисунке 1 показано упакованное устройство.
3. Генерация СК
- На рисунке 2 показана настройка экспериментов. Используйте волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA), для усиления насоса для генерации микро-гребенков. Управляйте поляризационным состоянием насоса с помощью контроллера поляризации волокон (FPC). Подключите все устройства с помощью одномодовых волокон (SMF).
- Зафиксируйте длину волны лазера накачки на уровне 1 556,3 нм. Вручную настройте рабочую температуру с помощью внешнего коммерческого контроллера TEC.
- Мониторинг выходного оптического спектра с помощью анализатора оптического спектра. Обнаружение трассировки выходной мощности с помощью фотоприемника 3 ГГц и запись с помощью осциллографа.
- Установите выход EDFA на 34 дБм, что соответствует мощности на кристалле 30,5 дБм (учитывая потери связи MRR и FA, потери вставки FPC), что обеспечивает достаточную мощность, связанную с MRR для генерации микро-гребня.
- Установите термистор на 2 кОм, что соответствует рабочей температуре 66 °C. Затем медленно снижайте рабочую температуру, изменяя заданное значение термистора. В этих экспериментах, когда термистор был установлен на 5,8 кОм, что соответствует 38 °C, один резонанс MRR проходил через насос и регистрировался след мощности треугольной формы.
- Настройте поляризацию насоса FPC до тех пор, пока не будет наблюдаться шаг SC на падающем крае треугольного следа мощности передачи. На рисунке 3 показан типичный след оптической мощности передачи.
- Медленно снижать рабочую температуру с ~66 °C и останавливаться при наблюдении на анализаторе оптического спектра, подобного ладони. Значение термистора составляло около 5,6 кОм в этих экспериментах. На рисунках 4A и 5B показаны оптические спектры идеальных SC и SC с одной вакансией соответственно.
4. Измерение колебаний частоты повторения
- Подключите сгенерированные контроллеры-концентраторы к настраиваемому полосовому фильтру (TBPF) для извлечения отдельной гребенчатой линии. Установите полосу пропускания TBPF на 0,1 нм. Его центральная длина волны может быть настроена на весь диапазон C и L. Наклон фильтра составляет 400 дБ/нм.
- Соедините выбранную гребенчатую линию с асимметричным интерферометром Маха-Зендера (AMZI). Оптическая частота в одном плече AMZI смещается на 200 МГц с помощью акустооптического модулятора (AOM). Оптическое поле в другом плече задерживается сегментом оптического волокна. В этих экспериментах используются волокна задержки 2 км и 25 км.
- Обнаружение выходного оптического сигнала с помощью фотодиода и анализ спектра PSD с помощью электрического анализатора спектра.
- Настройте центральную длину волны TBPF. Измерьте PSD каждой гребенчатой линии, используя описанный метод. На рисунке 4B,C показаны спектры PSD для гребенчатых линий S1 и S2 идеальных SC с задержкой 2 км и 25 км оптических волокон соответственно.
- Используя тот же метод, измерьте кривые PSD СК с вакансией. Запишите полосу пропускания 3 дБ кривой PSD и линейно подогнайте ее по частям, как показано на рисунке 5B, C. Получены колебания частоты повторения ~53,24 Гц в пределах 10 мкс и ~509,32 Гц в пределах 125 мкс.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 3 показан след мощности передачи, в то время как резонансная температура была настроена по всему насосу. Был очевидный силовой шаг, который указывал на генерацию СК. Ступень имела аналогичную мощность по сравнению со своим предшественником, гребнем модуляционной нестабильности. Поэтому генерация СК не зависела от скорости настройки. СК демонстрировали большое разнообразие состояний, включая вакансии (дефекты Шоттки), дефекты Френкеля и надстройки12,17. В качестве примера, на рисунке 4A показан идеальный SC с 27 солитонами, а на рисунке 5A - SC с одной вакансией.
Частота μ гребенчатой линии равна
а колебание частоты μгребенчатой линии может быть выражено как:
где μ — номер моды вдали от накачки, frep — частота повторения SCs, а Δfpump и Δfrep — колебания частоты лазера накачки и частота повторения SC соответственно. Поэтому колебания частоты повторения СК почти усиливались μ раз наμ-й частотной линии.
Для идеальных SCs на рисунке 4B, C показаны измеренные спектры PSD для насоса, S1 и S2, основанные на 2 км и 25 км задержки волокна, соответственно. Наиболее заметными особенностями кривых PSD были плоские вершины, которые были вызваны колебаниями частоты во время задержки. Когда время задержки составляло 10 мкс, колебания частоты S1 и S2 составляли 2,08 кГц и 3,54 кГц соответственно. Когда задержка волокна составляла 25 км, измеренные колебания частоты S1 и S2 составляли 14,31 кГц и 28,02 кГц соответственно.
На рисунке 5А показан типичный оптический спектр СК с одной вакансией. В MRR циркулировало 27 солитонов. Измеренные колебания частоты каждой гребенчатой линии были построены на графике и показаны на рисунке 5B,C. Кусочно-линейные линии подгонки нанесены синими линиями, которые могут быть выражены как
Средние наклоны фитинговых линий составляли около 53,24 Гц/FSR и 509,32 Гц/FSR, которые представляют собой колебания частоты повторения КА в пределах времени задержки отклика 10 мкс и 125 мкс соответственно. Остаточные колебания частоты рассматривались как колебания частоты накачки лазера вместе с колебаниями частоты управляемого радиосигнала АОМ.
Рисунок 1. Бабочка Упакованная MRR. (A)Модель и(B)изображение бабочки в упаковке MRR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2. Экспериментальная установка генерации Kerr OFC и измерения флуктуаций частоты повторения. Вставка показывает оптический спектр одного типичного SC с одной вакансией. В качестве накачки использовался частотно-фиксированный CW-лазер с шириной линии 100 Гц. EDFA использовался для повышения насоса до 34 дБм. Колебания частоты измеряли методом замедленного самогетеродинного интерферометра. CW = непрерывная волна; EDFA = волоконный усилитель, легированный эрбием; FPC = контроллер поляризации волокна; TEC = термоэлектрический охладитель; MRR = микрокольцевой резонатор; BPF = полосовой фильтр; AOM = акустооптический модулятор; PD = фотодиод; ESA = анализатор электрического спектра. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3. Оптическая трассировка мощности передачи в порту падения. Ясно получен шаг SC, который имел аналогичную силу со своим предшественником. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4. Идеальный SC. (A) Измеренный оптический спектр идеального СК. Вставка показывает равномерно распределенные 27 солитонов в MRR. (B)Измеренные кривые PSD насоса, S1 и S2, с волокном задержки 2 км. (C)Измеренные кривые PSD насоса, S1 и S2, с 25-километровой задержкой волокна. Кривая PSD с плоским верхом была вызвана быстрым колебанием частоты гребенчатых линий. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5. СК с одной вакансией. (A) Оптический спектр СК с одной вакансией. Вставка показывает распределение солитона в MRR. (B) Колебания частоты с задержкой волокна 2 км. Колебания частоты повторения составили около 53,24 Гц в пределах 10 мкс. Колебания частоты, введенные накачкой лазера и измерительной системы, составляли около 500 Гц. (C) Флуктуация частоты повторения с 25-километровым волокном задержки составляла около 626 Гц в пределах 125 мкс. Колебания частоты, введенные накачкой лазера и измерительной системы, составляли около 1 кГц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6. Теоретический PSD фототока, когда длина оптической когерентности больше относительного времени задержки. Красная линия не показывает колебаний центральной частоты. Синяя линия представляет PSD с линейными колебаниями центральной частоты. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Встроенные ДКС обеспечивают новые компактные когерентные оптические источники и демонстрируют отличные перспективы применения в оптической метрологии, молекулярной спектроскопии и других функциях. Для коммерческого применения важное значение имеют компактные упакованные микрогреневые источники. Этот протокол обеспечивает практический подход к созданию упакованного микрокомба, который извлекает выгоду из надежного соединения с низкими потерями связи между MRR и FA, а также надежного метода генерации DKS с термоуправляемым управлением. Таким образом, наши эксперименты больше не зависят от стадии связи и демонстрируют отличную адаптацию к окружающей среде. Между тем, насос представляет собой лазер с фиксированной длиной волны, который может работать с более узкими ширинами линий, производит значительно меньше шума и намного меньше по сравнению с перестраиваемыми лазерами. Таким образом, протокол является перспективным подходом к потенциальному коммерческому применению интегрированных высокопроизводительных встроенных источников DKS.
Основным ограничением для получения полностью интегрированного источника СК является высокая мощность насоса, который нуждается в EDFA. В последнее время DKS были реализованы на SiN MRR с очень низкой мощностью насоса. Поэтому мы полагаем, что практические полностью интегрированные источники ДКС будут сделаны в ближайшее время.
Стабильность частоты повторений является одним из важнейших параметров для оценки эффективности ОФК. Как правило, стабильность частоты повторения измеряется с помощью частотомера. Однако частота повторения микро-гребней обычно составляет от десятков ГГц до ТГц, что находится вне полосы пропускания частотомеров и фотоприемников. Поэтому косвенные методы, такие как опорный лазерный источник или модулятор, обычно используются для измерения стабильности частоты повторения, что увеличивает сложность измерительной системы. Наш протокол обеспечивает схему измерения частоты повторения на основе DSHI, где высокочастотные компоненты и сверхстабильные опорные источники не нужны. Система не имеет верхнего ограничения частоты повторений. Наша система измеряет накопленное колебание частоты во время задержки, в то время как метод на основе частотомера проверяет среднее значение за время затвора. Таким образом, наша схема дополняет системы измерения стабильности частотомера на основе частотомера.
Ширина линии лазера накачки имеет важное значение для схемы измерения частоты колебаний частоты повторения на основе DSHI. При оптическом поле
измеряется по схеме DSHI, PSD спектр фототока может быть выражен как:
где E0 и ω0— амплитуда и угловая частота соответственно; φ(t)— начальная фаза оптического поля; α — это коэффициент мощности двух интерференционных рычагов; I0 - входная оптическая интенсивность; τd и τc — относительное время задержки и когерентное время оптического поля соответственно; и Ω является сдвиг частоты AOM. Когда τc больше τd,PSD будет перекрытием бьющегося сигнала и функции Дирака, как показано на рисунке 6 (красная линия). Однако, учитывая колебания частоты лазеров, оптическое поле может быть выражено как
где Δω — флуктуация угловой частоты. Для DSHI добавляется дополнительный сдвиг частоты. На рисунке 6 (синяя линия) показан рассчитанный PSD-спектр, где оптическая частота линейно изменяется на 10 кГц в течение времени задержки. Напротив, когда τc меньше τd,функция Дирака будет незначительной, и наша схема больше не может измерять флуктуацию частоты повторения DKS. Наша схема не подходит для ДКС, генерируемых с помощью накачки лазера с шириной линии порядка десятков кГц. К счастью, лазер с шириной линии менее 1 Гц был коммерциализирован, а заблокированные лазеры фиксированной частоты с шириной линии менее 40 МГц были сделаны20. Таким образом, наша схема обеспечивает простой метод измерения нестабильности скорости быстрого повторения для оценки производительности микро-гребня в будущем.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC) (грант 62075238, 61675231) и Программой стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук (грант No. XDB24030600).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 6-axis coupling stage | Suruga Seiki | KXC620G KGW060 |
Contains 3 linear motorized translation states and 3 angular motorized rotational stages. Linear state: Minimum stepping: 0.05 μm; Travel: 20mm; Max.speed: 25mm/s; Repeatability: +/-0.3 μm; Rotational stage:Travel: ±8°; Resolution/pulse: 0.003 degree; Repeatability:±0.005° |
| Abrasive powder | Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD | 2980002 | Silicon carbide, granularity: 1.5 μm |
| Glue 3410 | Electronic Materials Incorporated | Optocast 3410 | Optocast 3410 is an ultra violet light and heat curable epoxy suitable for opto-electronic assembly. It cures rapidly when exposed to U.V. light in the 320-380 nm. |
| High-index doped silica glass | Home-made | - | The MRR is fabricated by a high index doped silica glass platform. The waveguide section is 2×3 μm and radius is 592.1 μm, corresponding to FSR of 49 GHz. |
| Pump laser | NKT Photonics | E15 | It is a continuous wave fiber laser with linewidth of 100 Hz. |
| Ultrastable Laser | Menlosystems | ORS | State-of-the-art linewidth (<1Hz) and stability (<2 x 10-15 Hz) |
References
- Herr, T., et al. Temporal solitons in optical microresonators. Nature Photonics. 8, 145-152 (2014).
- Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. Low-pump-power, low-phase-noise, and microwave to millimeter-wave repetition rate operation in microcombs. Physical Review Letters. 109, 1-5 (2012).
- Trocha, P., et al. Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs. Science. 359, 887-891 (2018).
- Myoung-Gyun, S., Qi-Fan, Y., Ki Youl, Y., Xu, Y., Kerry, L. V. Microresonator soliton dual-comb spectroscopy. Science. 354, 600-603 (2016).
- Marin-Palomo, P., et al. Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications. Nature. 546, 274-279 (2017).
- Fang-Xiang, W., et al. Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators. arXiv. , (2018).
- Spencer, D. T., et al. An optical-frequency synthesizer using integrated photonics. Nature. 557, 81-85 (2018).
- Del'Haye, P., et al. Phase-coherent microwave-to-optical link with a self-referenced microcomb. Nature Photonics. 10, 516-520 (2016).
- Huang, S. W., et al. A broadband chip-scale optical frequency synthesizer at 2.7x10-16 relative uncertainty. Science Advance. 2, 1501489 (2016).
- Liang, W., et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator. Nature Communications. 6, 7957 (2015).
- Liao, P. C., et al. Dependence of a microresonator Kerr frequency comb on the pump linewidth. Optics Letters. 42, 779-782 (2017).
- Wang, W. Q. Robust soliton crystals in a thermally controlled microresonator. Optics Letters. 43, 2002-2005 (2018).
- Chaitanya, J., et al. Thermally controlled comb generation and soliton modelocking in microresonators. Optics Letters. 41, 2565-2568 (2016).
- Lu, Z. Z., et al. Deterministic generation and switching of dissipative Kerr soliton in a thermally controlled micro-resonator. AIP Advances. 9, 025314 (2019).
- Jost, J. D., et al. Counting the Cycles of Light using a Self-Referenced Optical Microresonator. Optica. 2, 706-711 (2014).
- Brasch, V., et al. Self-referenced photonic chip soliton Kerr frequency comb. Light: Science & Applications. 6, 16202-16206 (2017).
- Cole, D. C., et al. Soliton crystals in Kerr resonators. Nature Photonics. 11, 671-676 (2017).
- Little, B. E. A VLSI photonics platform. Conference on Optical Fiber Communication. 86, 444-445 (2003).
- Wang, W. Q., et al. Dual-pump kerr micro-cavity optical frequency comb with varying FSR spacing. Scientific Report. 6, 28501 (2016).
- Kessler, T., et al. A sub-40-m Hz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity. Nature Photonics. 6, 687-692 (2012).
